基于選礦流程的尾礦優(yōu)選組合膏體充填技術(shù)

郭利杰，楊小聰，許文遠(yuǎn)，彭嘯鵬，史采星，李宗楠

(1.北京礦冶研究總院，北京 100160；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

采選技術(shù)

基于選礦流程的尾礦優(yōu)選組合膏體充填技術(shù)

郭利杰1，2，楊小聰1，許文遠(yuǎn)1，彭嘯鵬1，2，史采星1，李宗楠1

(1.北京礦冶研究總院，北京 100160；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

為優(yōu)化膏體充填骨料粒級級配，提出了基于選礦流程的尾礦優(yōu)選組合膏體充填工藝技術(shù)。該技術(shù)統(tǒng)籌考慮充填方案、充填成本等因素，基于選礦流程多環(huán)節(jié)生產(chǎn)尾礦的條件，將不同級配、化學(xué)成分合理的尾礦按照一定的比例進(jìn)行混合，制備出級配連續(xù)的混合尾礦。通過開展尾礦基礎(chǔ)參數(shù)測試、沉降試驗、析水試驗、流動性試驗研究，確定了基于選礦流程的充填技術(shù)工藝優(yōu)化方案，并開展了工業(yè)現(xiàn)場驗證?；谖驳V級配優(yōu)化的膏體充填技術(shù)科學(xué)可行，具有廣泛的適用性，是一種先進(jìn)的礦山充填技術(shù)。

級配優(yōu)化；選礦流程；膏體充填；尾礦

0 引 言

膏體充填技術(shù)是我國充填技術(shù)的發(fā)展方向，除了在維護(hù)圍巖穩(wěn)定、減少地表沉陷、提高礦產(chǎn)資源回收率外[1]，還可用很少的膠結(jié)劑就能達(dá)到很高的強(qiáng)度，具備良好的接頂性能與整體性能，從而降低采礦充填成本，同時在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全、高效方面的優(yōu)勢具有廣闊的發(fā)展前景[2]。但由于膏體充填技術(shù)仍存在一些缺陷，使得目前膏體充填仍未普及。其中充填骨料的選擇及優(yōu)化即是亟須解決的問題之一，礦山企業(yè)往往不具有制備膏體的充填骨料而無法實現(xiàn)膏體充填。

充填骨料是決定充填方案及充填質(zhì)量的關(guān)鍵因素，尤其對于膏體充填，骨料性質(zhì)是決定能否采用膏體充填方案的關(guān)鍵因素，而尾礦級配又是影響充填質(zhì)量的決定性因素。因此對充填骨料級配的研究具有重要意義。

目前大多數(shù)礦山在充填系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)中，把充填系統(tǒng)與選廠分開，使得充填系統(tǒng)采用的尾礦一般都是選礦最終環(huán)節(jié)產(chǎn)出的混合尾礦，往往得不到級配理想的尾礦骨料。為解決這一難題，我們基于選礦工藝的尾礦多環(huán)節(jié)產(chǎn)出的現(xiàn)狀，提出了一種基于選礦流程的尾礦優(yōu)選組合膏體充填技術(shù)。該技術(shù)充分利用選礦流程中產(chǎn)生的尾礦，將選礦工藝不同環(huán)節(jié)產(chǎn)生的尾礦按不同的比例進(jìn)行混合，生產(chǎn)出粒級較為理想的充填骨料，為膏體充填料漿制備提供了技術(shù)支撐。

1 理想的充填骨料

礦山充填骨料的使用范圍十分廣泛，已經(jīng)從傳統(tǒng)的山砂、海砂、河砂、細(xì)石等逐步轉(zhuǎn)向粉煤灰、尾礦、爐渣等工業(yè)廢料。在較長一段時期內(nèi)，分級尾礦一直是充填骨料的主要來源，其剔除了一些較細(xì)的物料，使得充填料漿進(jìn)入采場后能迅速的脫水，充填體的強(qiáng)度也可以得到明顯的提高[7]。但同時，尾礦分級必然導(dǎo)致充填骨料的來源不足，且大量溢流尾礦的排入增加了尾礦壩的堆壩難度，提高了潰壩風(fēng)險。

目前，我國大部分有色金屬礦山由于不存在粉煤灰、爐渣等骨料或者成本過高，而不能實現(xiàn)膏體充填，因此受不同礦山骨料來源條件限制，并統(tǒng)籌考慮充填方案、充填成本等因素，可能無法獲得最理想的骨料。而且，目前我國大多數(shù)礦山的充填系統(tǒng)在設(shè)計與建設(shè)過程中，未能將其與選礦廠統(tǒng)籌考慮，導(dǎo)致充填系統(tǒng)采用的尾礦一般都是選礦最終環(huán)節(jié)產(chǎn)出的混合尾礦，粒級級配不均勻，無法形成理想的級配，使得充填料漿易產(chǎn)生離析現(xiàn)象或脫水困難等問題。

為了解決這一難題，我們對于選礦廠尾礦多環(huán)節(jié)產(chǎn)出的礦山，提出了基于選礦流程的尾礦優(yōu)選組合膏體充填技術(shù)。該技術(shù)的核心是通過不同級配的尾礦按照一定的比例進(jìn)行混合，制備出粒級級配較為理想的充填骨料，從而為制備膏體充填料漿奠定基礎(chǔ)。

2 基于選礦流程的尾礦優(yōu)選組合方式

充填材料的配比是決定充填質(zhì)量的首要因素，在合理選材的基礎(chǔ)上調(diào)整粗、細(xì)粒級物料的含量，使充填的性能達(dá)到最佳。經(jīng)過優(yōu)化后的充填體配比不僅可以保證充填體的穩(wěn)定性和流動性，同時能夠滿足采礦工藝的要求，使充填成本達(dá)到最低。

良好的充填工藝中充填料漿在輸送過程中不會產(chǎn)生離析現(xiàn)象，這也就要求充填骨料中必須有一定的細(xì)顆粒含量，一般要求固體含量中的-20 μm的顆粒不得小于15%，這部分細(xì)粒級尾礦有很強(qiáng)的保水能力，使水量能夠充滿微細(xì)粒之間的孔隙，從而保證有足夠的膠結(jié)用水形成充填料漿的流動性。但是-20 μm顆粒含量也不宜太多，否則會導(dǎo)致充填體強(qiáng)度下降、管輸阻力增大。

因此，在采用基于選礦流程的尾礦優(yōu)選組合過程中，首先要對多環(huán)節(jié)產(chǎn)出的尾礦分別進(jìn)行粒級測試，通過理論計算不同尾礦的最優(yōu)配比，并結(jié)合泌水試驗、滲透性試驗、流動性試驗等室內(nèi)試驗，確定最優(yōu)組合配比。

基于選礦流程的尾礦組合方式有三種，靈活多變，具體可根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)工藝確定。

第一類組合方式為不同尾礦先混合后濃縮。將重選工藝產(chǎn)生的尾礦與浮選工藝產(chǎn)生的分級尾礦與溢流尾礦，根據(jù)充填需求先按比例組合，再進(jìn)入砂倉或其他脫水濃縮裝置進(jìn)行脫水濃縮，之后與膠凝材料、水根據(jù)一定的比例進(jìn)行混合攪拌，制備出膏體充填料漿，如圖1所示。

圖1 不同尾礦先混合后濃縮的組合方式

第二類組合方式為不同尾礦先分別濃縮后按比例混合。將重選工藝產(chǎn)生的尾礦與浮選工藝產(chǎn)生的分級尾礦及溢流尾礦，根據(jù)充填需求先分別濃縮，再按照一定的比例組合，準(zhǔn)備成級配相對理想的充填尾礦，之后與膠凝材料、水根據(jù)一定的比例進(jìn)行混合攪拌，制備出膏體充填料漿(圖2)。

圖2 不同尾礦先分別濃縮后按比例混合組合方式

第三類組合方式為混合組合方式，即將重選工藝產(chǎn)生的尾礦與浮選工藝產(chǎn)生的分級尾礦及溢流尾礦，根據(jù)充填尾礦的需求，采用一部分先組合再濃縮，另一部分采用先濃縮后組合方式，兩部分產(chǎn)生的組合尾礦按比例混合，制備成級配相對理想的充填尾礦，之后與膠凝材料、水根據(jù)一定的比例進(jìn)行混合攪拌，制備出膏體充填料漿。

三類組合方式分別具備各自的特點，第一類組合可以減少濃縮設(shè)施與設(shè)備，節(jié)省投資，但不同粒級組成的尾礦按比例組合后，在濃縮階段可能會再次產(chǎn)生分層現(xiàn)象，從而導(dǎo)致充填料漿中的骨料未能實現(xiàn)最優(yōu)級配的目標(biāo)。第二類組合方式需要增加濃縮設(shè)施與設(shè)備，增加了投資，但能夠保證充填骨料按照設(shè)計的比例混合均勻。第三類組合方式兼具前兩類的優(yōu)缺點。

3 基于選礦流程的充填工藝優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用

安徽某銅礦設(shè)計是采用階段空場嗣后充填采礦法，充填方式為分級尾礦充填，充填站包含3套獨立充填系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包含1座砂倉、1座水泥倉、1臺攪拌機(jī)以及配套的計量設(shè)備與自動化管理系統(tǒng)。按原設(shè)計選廠浮選車間的尾礦通過4臺旋流器進(jìn)行分級，分級后的溢流細(xì)粒級尾礦與底流粗粒級尾礦分別泵送至重介質(zhì)廠進(jìn)行尾礦再選，再選后的細(xì)粒級尾礦排至尾礦庫，粗粒級分級尾礦泵送至充填站立式砂倉用于充填。該礦山選礦流程見圖3。

該礦山使用單一的分級尾礦進(jìn)行充填時，面臨充填濃度低、充填料漿離析、充填體強(qiáng)度不均勻、充填成本高及未來充填分級尾礦不足等系列問題。為解決目前存在的問題，統(tǒng)籌考慮選礦工藝，提出將泵送至尾礦庫的部分溢流細(xì)砂與分級尾礦進(jìn)行優(yōu)化組合，優(yōu)化充填骨料級配，制備不離析的充填料漿方案。由此，開展了尾礦基礎(chǔ)參數(shù)測試分析、沉降試驗、析水試驗、流動性試驗、配比試驗，為充填系統(tǒng)技術(shù)改造提供了基礎(chǔ)。

3.1 尾礦基礎(chǔ)參數(shù)測試分析

3.1.1 尾礦粒級組成測試

尾礦粒級組成利用激光粒度分析儀進(jìn)行測試，首先分別測定了分級尾礦與溢流尾礦的粒級組成，通過初步計算，分級尾礦中在添加10%～20%的含量時，混合尾礦中-20 μm的含量約15%～20%，并再次對不同比例的混合尾礦開展了粒級組成測試進(jìn)行計算結(jié)果的驗證。尾礦粒級組成曲線見圖4，粒徑組成分析結(jié)果見表1。

圖3 安徽某銅礦選礦流程圖

圖4 粒級分布曲線

本試驗計算了不同尾礦的不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)，從充填料密實度角度分析，礦山分級尾礦、溢流細(xì)砂及混合砂級配組成良好。但是，由于礦山尾礦最終將制備成漿體進(jìn)行管道輸送，因此，應(yīng)重點從料漿管道輸送方面的經(jīng)驗分析其級配。根據(jù)分析可知，礦山分級尾礦中-38 μm占到19.13%，-74 μm占到36.29%，38～74 μm粒級部分含量少，+74 μm粗粒級含量占到63.71%，含量高，屬于粗尾礦類型，由此制備的充填料漿易導(dǎo)致充填料漿離析。通過在分級尾礦中添加不同比例的細(xì)尾礦后，混合尾礦粒級組成明顯改善，-20 μm含量在15%～20%之間，具備了制備高濃度結(jié)構(gòu)流的前提條件，但是，最終滿足膏體充填要求的最佳尾礦級配還需通過流變等試驗進(jìn)行進(jìn)一步確定。

3.1.2 尾礦化學(xué)組成測試

利用光譜發(fā)生儀測定尾礦中的化學(xué)成分，結(jié)果見表2、表3。

表1 安徽某礦試驗用砂粒徑分析結(jié)果表

表2 分級尾礦元素定量分析結(jié)果圖表

表3 溢流尾礦元素定量分析結(jié)果表

從測試結(jié)果可知，該礦山的尾礦中含有大量的CaO和一定量的MgO、FeO成分，有利于將來膠結(jié)充填，有害成分如S等含量較低，因此分級尾礦、溢流細(xì)砂均滿足充填要求。

3.2 沉降試驗

根據(jù)選礦流程生產(chǎn)的分級尾礦與溢流尾礦濃度，開展了沉降試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)分級尾礦沉降較快、溢流尾礦沉降較慢，同時開展了混合尾礦的沉降試驗，結(jié)果數(shù)據(jù)見表4。

表4 尾礦沉降試驗數(shù)據(jù)結(jié)果

分級尾礦的沉降速度約是溢流尾礦沉降速度的3倍，若采用第一類優(yōu)化組合方式，即先混合后濃縮的方式，會導(dǎo)致在混合過程中分級尾礦由于沉降較快而與溢流細(xì)砂產(chǎn)生分層，導(dǎo)致混合尾礦漿的粒級分布不均勻。為驗證這一結(jié)論，開展了相關(guān)試驗：將分級尾礦漿與溢流尾礦漿先在模擬容器中按一定流量比例混合，等砂面穩(wěn)定后，放砂至試模中，然后在試模中不同高度取樣，進(jìn)行粒級測試，發(fā)現(xiàn)試模的上、中、下三部分，尾礦粒級組成相差較大。具體過程見圖5。因此決定采用第二類優(yōu)化組合方式，即先分別濃縮后按一定比例混合的方式。

3.3 析水試驗

泌水率是確定可以實現(xiàn)充填采場少泌水的最佳充填濃度的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，同時也是衡量充填料漿進(jìn)入采場后脫水量的重要指標(biāo)，為實現(xiàn)膏體充填，需要保證充填料漿的泌水率低于5%，因此開展了不同尾礦充填料漿的析水試驗，試驗結(jié)果見圖6。

料漿濃度70%，細(xì)砂含量15%～20%時，平均泌水率為4.8%，料漿濃度為72%，細(xì)砂含量15%～20%時，平均泌水率為3.5% 。根據(jù)經(jīng)驗，充填料漿泌水率小于5% 時，充填料漿滿足膏體的泌水要求。因此，可確定充填料漿的濃度需大于70%，溢流尾礦含量在15%～20%時最優(yōu)。

3.4 流動性試驗

在保證混合尾礦漿一定保水性能的條件下，還需要保證充填料漿有一定的自流能力，因此開展了分級尾礦與混合尾礦的流動性能測試與分析。流動性試驗采用擴(kuò)散度桶進(jìn)行測試，采用小型坍落筒在一塊標(biāo)有刻度的玻璃上進(jìn)行，其坍落筒上下口徑分別為3.5 cm、6.0 cm，筒高6.0 cm。試驗首先用布把坍落筒內(nèi)部擦拭干凈，并將其放在水平的玻璃板上，將配比好的充填料漿從坍落筒上口倒入，用鋼尺將上口刮平后，迅速將坍落筒垂直提起，充填料漿將在玻璃板上形成一個圓，通過測定二個垂直方向的圓直徑，其平均值即為該料漿的擴(kuò)散度。試驗過程及結(jié)果見圖7。

圖5 第一類組合方式混合尾礦沉降分層驗證試驗

圖6 不同尾礦析水試驗結(jié)果

圖7 流動性試驗過程及結(jié)果

由試驗結(jié)果可知，充填料漿的擴(kuò)散直徑整體上隨著細(xì)砂含量增而減小，隨著濃度的增大，流動性能變差，表明添加溢流尾礦及過高的濃度不利于料漿的輸送，因此需要對溢流尾礦的添加量及充填料漿的濃度進(jìn)行控制。

3.5 基于選礦流程的充填工藝優(yōu)化技術(shù)方案

通過前期理論分析及開展的試驗數(shù)據(jù)分析，最終確定采用第二類組合優(yōu)化方式，具體為將從選廠出來的粗尾礦和細(xì)尾礦分別采用兩條管路泵送至充填站，分級粗尾礦泵送至分級尾礦倉進(jìn)行自然沉降濃縮，溢流細(xì)砂泵送至細(xì)砂倉進(jìn)行絮凝沉降濃縮。充填時，兩個倉內(nèi)濃縮的高濃度粗、細(xì)尾礦漿經(jīng)造漿后按照溢流尾礦/(溢流尾礦+分級尾礦)的質(zhì)量比≈15%的比例進(jìn)行混合，可得到化學(xué)組分合理，級配優(yōu)良的充填骨料，與水泥、水配置成濃度70%～72%的膏體充填料漿，經(jīng)均勻攪拌制備成膏體充填料漿后，通過充填鉆孔自流至井下采場進(jìn)行充填，具體工藝如圖8所示。

圖8 安徽某銅礦基于選礦流程的充填工藝技術(shù)流程圖

3.6 基于選礦流程的充填工藝優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用效果

按照設(shè)計方案對充填系統(tǒng)進(jìn)行改造完成后，在充填管路取樣口開展了取樣試驗，試驗效果達(dá)到預(yù)期，改善了充填質(zhì)量，解決了分級尾礦充填料漿離析、分層的問題，實現(xiàn)了穩(wěn)定、高效的膏體充填。充填管路取樣口混合尾礦充填料漿放砂效果圖見圖9。

圖9 充填管路取樣口混合尾礦充填料漿放砂效果圖

為驗證基于選礦流程的充填工藝優(yōu)化技術(shù)的優(yōu)越性，特別是充填體均勻性方面體現(xiàn)出的整體性，開展了井下充填體取樣試驗，分別選定兩個試驗采場——2P采場與10R采場，其中2P采場為充填系統(tǒng)技術(shù)改造后的采場，10R采場為充填系統(tǒng)技術(shù)改造前的采場。取樣位置均為首層充填，灰砂比為1∶4，取樣高度、角度均一致，取樣結(jié)果對比見圖10。

圖10 井下充填體取樣結(jié)果對比圖

從取樣結(jié)果可以看出，2P采場的充填體可保證良好的完整性，而10R采場取樣效果極差，充填體較為破碎。由此可以證明，基于選礦流程的充填工藝技術(shù)方案可行、可靠，能夠解決充填料漿離析、分層，充填體強(qiáng)度不均勻的難題。同時，向分級尾礦中添加部分溢流細(xì)砂，既解決了分級尾礦不足的問題，又可以減少尾礦庫壓力，延長尾礦庫服務(wù)年限。

4 結(jié) 論

基于有色金屬礦山選礦工藝中尾礦多環(huán)節(jié)產(chǎn)出的現(xiàn)狀，提出了一種基于選礦流程的尾礦優(yōu)選組合高濃度膏體充填技術(shù)。該技術(shù)核心是統(tǒng)籌考慮充填方案、充填成本等因素，基于選礦流程多環(huán)節(jié)生產(chǎn)尾礦的條件，將不同級配、化學(xué)成分合理的尾礦按照一定的比例進(jìn)行混合，制備出粒級組成連續(xù)的混合尾礦。它將礦山充填系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)與選廠工藝方案相結(jié)合，統(tǒng)籌考慮并一體化設(shè)計，為膏體充填技術(shù)骨料優(yōu)化提供了新思路。

本文通過開展尾礦基礎(chǔ)參數(shù)測試、沉降試驗、析水試驗、流動性試驗研究，確定了基于選礦流程的充填技術(shù)工藝優(yōu)化方案，并進(jìn)行了實際應(yīng)用。采用充填料漿取樣檢測與充填體原位測試，驗證基于選礦流程的充填工藝技術(shù)方案科學(xué)可行，解決了充填料漿離析、分層，充填體強(qiáng)度不均勻等技術(shù)難題。

基于選礦流程的尾礦優(yōu)選組合膏體充填技術(shù)是一種先進(jìn)的礦山充填技術(shù)，不僅能夠解決使用單一尾礦而導(dǎo)致的尾礦不足的問題，實現(xiàn)尾礦膏體均質(zhì)充填，同時能夠消納更多細(xì)顆粒尾礦，減少尾礦庫庫壓力。

[1] 劉同有，蔡嗣經(jīng).國內(nèi)外膏體充填技術(shù)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀[J].中國礦業(yè)，1998，7(5)：1-4.

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Industrial practice on optimizing tailings composition combined with ore concentration processes

GUO Lijie1，2，YANG Xiaocong1，XU Wenyuan1，PENG Xiaopeng1，2，SHI Caixing1，LI Zongnan1
(1.Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy，Beijing 100160，China；2.School of Civil and Resources Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

Cemented paste backfill (CPB) is increasingly applied in underground mines world-wide and has a broad prospect considering its benefits in environmental protection and ground control.During the paste production，a well-graded aggregate is critical for the achievement of CPB.Mine tailings from the outcome of ore-dressing plant are commonly used as the fill aggregate.However，it is difficult to obtain an ideal particle size distribution for the mine tailings which are roughly mixed with final residuum in ore concentration processes.In this study，a novel industrial method is proposed to select fill aggregates from different parts of ore-dressing processes.With combined design of concentration plant and backfill plant，the tailings with desired particle sizes and proportions during the mineral processing are chosen to produce CPB without disturbing the regular ore concentration.The problems of passively accepting final tailings from ore-dressing plant has been improved.

gradation optimization；mineral processes；paste backfill；tailing

2016-12-05

國家重點研發(fā)計劃項目資助(編號：2016YFC0600709)；國家科技支撐計劃項目資助(編號：2013BAB02B02)；國家國際科技合作專項項目資助(編號：2014DFR70340)

郭利杰(1980-)，男，河南南樂人，研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事礦山充填技術(shù)與礦冶固廢資源化利用方面的研究工作。

TD853.34

A

1004-4051(2017)04-0099-06